物理海洋学的数学理论.docx

物理海洋学的数学理论物理海洋学的数学理论(一)物理海洋学 复习提纲 物理海洋学 复习提纲 1、 海洋学的学科体系是怎样的？什么是物理海洋学，它的探究对象与方法是什么？ l 海洋学：是探究海洋的自然现象、性质及其改变规律，以及开发利用海洋的学问体系是地球科学和地理学中的自然地理学的组成局部 物理海洋学、海洋化学、海洋地质学、海洋生物学 海洋环境学、海洋气象学、航海海洋学、渔场海洋学、军事海洋学、区域海洋学、海洋工程、海岸工程、海港工程、围海工程、深海采矿工程、海水养殖、海水淡化工程、海水综合利用工程、海洋能开发工程、海洋水下工程、海洋空间开发工程、海洋石油和自然气开采工程 l 物理海洋学：运用物理学的观点和方法，探究海洋中的力场、热盐构造、以及相关的各种机械运动的时空改变，并探究海洋中的物质、动量和能量的交换和转换的学科 l 物理海洋学所探究的对象，是人类和其他生物赖以生存和生活的海洋中的物理环境这种环境中的物理过程，与地球上的气候和天气的形成和改变、海洋生物的生存和生活、海洋中物质和热量的输送、海岸和海底的侵蚀和改变，以及海洋的交通运输和军事活动等，都有亲密的关系。

l 探究方法： Ø 观测与调查〔现场和室内试验〕: 卫星遥感、航拍，海洋调查船, 锚系、浮标，采样，样品分析，水槽试验，数值试验 Ø 理论化学问体系的建立: 从铅笔/纸张到超级计算机；从数据分析到理论; 从理论到模型 海里相当于多少公里？纬度中1分相当于多少海里？表示航行速度经常有单位“节”，一节相当于多少m/s？地球的自转角速度是多少？ l 1海里=1.852km；纬度中1分相当于1海里、纬度中1度相当于60海里，约111km； l 1节〔kt〕=1海里/小时=1.852km/h〔约等于0.5m/s〕； l 地球自转的角速度ω=2π/(24x3600s)=7.27x10^-5 rad/s 世界海洋中依据其空间尺寸如何分类？什么是边缘海？什么是陆架浅海？ l 洋(Ocean)、海(Sea):边缘海，陆架浅海、海湾(Bay，Gulf，Embayment)、海峡(Strait, Gullet)、峡湾(Fjord)、潮汐汊道(Tidal inlet)、河口(Estury)、潮滩(Tidal flat)、沙滩(Sand beach) l 位于大陆边缘，以岛屿、群岛或半岛与大洋分隔，仅以海峡或水道与大洋相连的海疆。

l 大陆架：它的范围自海岸线〔一般取低潮线〕起，向海洋方面延长，直到海底坡度显著增加的大陆坡折处为止大陆架是大陆的自然延长，原为海岸平原，后因海面上升之后，才沉溺于水下，成为浅海 海洋中声音传播的速度与什么因素有关？何为海洋声道，其成因与特征分别是什么？ l 海水的盐度、水深〔压强〕、海面和海底状况、海水的运动、海洋中包含的各种不匀称体如气泡和生物等 l 从声速最低的地方放射的声波，由于上下层的声速不同而发生折射，造成声波传播途径总是弯向声速最低的地方大局部声波在海水中经过这样的往复弯曲折射，而不与海面和海底接触，故能量损失很小，这种现象称为声道现象声速最低的地方称为声道轴 海洋中光的传播与什么因素有关？光在水层中的衰减满意什么定律？光的传播对海洋生态系统有何影响？什么是真光层？ l 〔1〕海水中光的汲取：光能量在水中损失的过程就是汲取汲取也存在不同的物理过程：有些光子是在它的能量变为热能时损失了，有些光子被汲取后由一种波长变为了另一种波长的光 〔2〕海水中光的散射：散射时，光子没有消逝，只是光子的前进方向发生了改变也导致水中准直光束能量的衰减。

海水中引起光散射的因素许多，主要有水分子和各种粒子，包括悬移质粒子、浮游植物及可溶有机物粒子等 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 l l 植物是海洋中生命的关键一环植物须要光，光能够到达的海洋深度在必须程度了确定了大多数海洋生物的生存深度 l 真光层，又名透光带，英文photic zone，指水层中有光线透过的局部为海洋生物生态作用最活泼的水层 风速的垂向分布如何？风应力如何计算？风的大小是如何分级的？ l 垂向风速剖面： l 风应力计算： 海洋的热平衡是怎样的？什么是位温？世界大洋的水温分布如何？受什么因素限制？ l 热平衡：太阳短波辐射、海面有效回辐射、潜热〔蒸发和凝聚〕、显热〔对流〕 l 位温：某一深度海水绝热上升到海面时温度，比现场温度低 l 空间：垂向〔混合层、温跃层、深层海洋〕； 外表〔纬向带状分布，北半球大洋西部温度大于东部、南半球相反〕 时间：日改变〔改变小，正弦曲线〕；年改变〔热带改变小周期半年、温带改变大周期一年，近岸海疆温差大，〕 l 因素：太阳辐射、大洋流淌、风 什么是上混合层？其季节性改变特征是什么，由何种因素限制？ l 上混合层：海洋要素〔特殊是位温〕随深度分布趋于匀称的海洋边界层。

l 夏季：太阳辐射强、外表风弱，所以混合层最浅；冬季：海洋失去热量、外表风强，所以混合层最深 世界大洋的盐度分布规律如何？为什么会形成这样的分布？ l 空间：就大洋表层盐度的多年平均而言，其经线方向分布与蒸发、降水之差(E—P)有极为相像的改变 规律根本上也具有纬线方向的带状分布特征，但从赤道向两极却呈马鞍形的双峰分布即赤道海疆， 盐度较低；至副热带海疆，盐度达最高值；从副热带向两极，盐度渐渐降低，这与极地海区结冰、融 冰的影响有亲密关系 l 时间：由于蒸发、降水、结冰和融冰都有年周期改变，所以海洋表层盐度的年改变也有周期性 极地海疆：春季〔大约4月〕融冰，表层盐度最低，冬季季风剧烈并且结冰排出盐分，近表层盐度最 高 10、 11、 中纬度海疆：夏季〔7—9月〕降水和径流最大，盐度值最低，冬季蒸发强降水少，盐度值最高 热带海疆：季节改变不明显 什么是海水的状态方程？为什么在河口地区海水的密度主要由盐度改变确定？ l 海水状态方程是描述海水状态参数〔温盐密〕之间关系的方程式，也称为P-V-T性质 l 河口区域海水盐度改变大，相比拟于温度而言对密度的影响更大。

什么是连续方程？Boussinesq假定是什么？要什么条件才能满意？什么是静压假定，须要什么条件才能满 足？ l 连续方程： l Boussinesq假定：流体的密度跟压强和温度有关,在低速流淌中,流体压强改变不大,主要是由于温度的 改变引起密度改变,因此忽视压强改变引起的密度改变,只考虑温度改变引起的密度改变叫做 Boussinesq假设 Ø 海洋中的速度要小于声速； Ø 波浪或者扰动的相速度必需小于声速； Ø 运动的垂直尺度必需小于C**2/g〔g是常量〕 l 静压假定：静压近似是指对水平尺度远大于铅直尺度的大尺度运动，垂向动量守恒方程可以简化为静 压关系〔看书！〕 海洋中的力有哪些？动量平衡方程〔欧拉方程，Navier-Stokes〕是怎样的？ l 重力：引潮力、浮力、水平压强梯度力 摩擦力：风应力、底部切应力 惯性力〔表观力、伪力〕 l 欧拉方程： 12、 13、 什么是雷诺数？它表示怎样的物理意义？雷诺应力与湍流摩擦是什么关系？ l 水体紊动是由于流体运动的非线性作用产生的。

这种非线性作用可以用动量方程中的非线性项来表达， 组合成一个无量纲数 Re=ρvL/μ，ρ、μ为流体密度和运动粘性系数，v、L为流场的特征速度和特征长度 l 湍流摩擦与雷诺应力的关系： 14、 在混和中，静力稳定与动力稳定是如何定义的？什么是双扩散，“盐指”是怎样形成的？ Ø 静力稳定度：假如密度较大的水体浮于较小水体的上面，上层水体就会下沉，反之那么不会下沉 15、 动力稳定度：原来处于静态稳定的海表，在风应力等动力作用下发生不稳定现象叫做动力不稳定，其量度叫动力稳定度 Ø 在海洋中的某些区域，较轻的水位于较重的水之上，但是即使在没有洋流的状况下，水体仍旧会发生不稳定其中存在四种状况：热高在上、热低在上、冷高在上、冷低在上 暖的高盐水位于冷的低盐水之上：改变过程称为盐指〔salt fingering〕，最终使得密度随深度的增加呈阶梯状分布 Ekman的根本假设是什么，其解析解如何？具有哪些特征？Ekman输运如何确定？底Ekman层的特征又是怎 样的？ Ø 根本假设：1、没有边界 远离海岸成立 2、无限深海 d200m 成立 3、f平面近似 成立 4、定常态 假如风的作用1天时成立 5、Az只是U〔10〕**2的函数。

这个假设认为Az与深度无关事实上在混合层底，Az会有很大的改变，所以更精确的做法 是将湍流粘度系数看成是z的函数 6、密度分布匀称 根本满意，除了考虑稳定度的影响 Ø 解析解： u=V0exp(az)v=V0exp( az)sin(p4+az+ az)p 4Ø 特征：背风而立，表层流的流淌方向总是在风向右侧45 度角处〔埃克曼螺旋构造〕 Ø Ekman运输：Ekman流的质量输送方向与风向垂直，在北半球指向风的右方 16、 何为Ekman抽吸？其对上升流与下降流的形成起着怎样的作用？ Ø 海洋外表风场是不匀称的，从而导致的Ekman质量输送也是空间分布不匀称的，会引起表层海水的辐 合辐散，依据质量守恒定律，Ekman层中就出现了海水的上升和下降运动，这个过程称为Ekman抽吸 17、 什么是地转流？什么是Margule方程？密度流中如何依据温盐分布计算地转流的流速？ Ø 地转流：水平尺度超过几十公里，时间尺度超过几天的海流运动，海面风应力和其他摩擦力很小，可 以忽视不计，这时海水受到的压力梯度力与柯氏力平衡，形成的海流就是地转流 Ø færnvn-rn-1vn-1öfærn-1öin=ç÷»ç÷(vn-vn-1)gèrn-rn-1øgèrn-rn-1øMargule方程： 18、 确定两层流体的密度、上层流体的速度和交接面的倾角(i)，就可以计算下层流体的速度。

Ø 计算：温盐分布——密度——比容——动力高度〔位势〕——相对速度——肯定速度 简述Sverdrup, Stommel和Munk的风生环流理论 Ø Sverdrup：设海面有定常的风应力作用，产生定常的恒速运动通常状况下，风应力分布不匀称，存 在压力梯度力于是，大洋中的流淌是压力梯度力、柯氏力和垂直湍流摩擦力三力平衡的产物水平 边界条件：在海外表，摩擦力等于风应力；在-D深处，摩擦力为0 1、Sverdrup假设：1〕海洋内部流为地转流；2〕海洋内部的静止层具有统一深度；3〕Ekman输送是 正确的第一和第三个假设我们前面证明过，但是对于热带海洋的静止层深度，我们还知之甚少 2、Sverdrup解满意东边界的边界条件，但是流线。